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Kontaktlos und stetig regelbarer Transformator Für die Spannungsregelung
von Transformatoren sind verschiedene Lösungen bekannt. Diese Lösungen befriedigen
jedoch insofern nicht, als entweder mit Regelschaltern bei Stufentransformatoren
oder mit gegeneinander bewegten Wicklungen bei Drehtransformatoren bzw. Schubtransformatoren
gearbeitet werden muß.
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Aufgabe"der Erfindung ist es, einen Regeltransformator zu schaffen,
der kontaktlos stetig regelbar ist und keine gegeneinander bewegten Wicklungen aufweist.
Erfindungsgemäß 'wird das dadurch erreicht, daß bei Einphasenstrom ein Schenkel
und bei Mehrphasenstrom alle Schenkel des Transformators in zwei oder mehrere Teilschenkel
aufgeteilt sind, von denen der innenliegende von den anderen konzentrisch umgeben
ist und aus thermomagnetischem Material besteht, während die übrigen Teilschenkel
aus gewöhnlichem Transformatorenblech hergestellt sind, daß alle Teilschenkel eines
Schenkels von der Primär- und Sekundärwicklung umfaßt sind, daß auf dem innenliegenden
Teilschenkel eine Wicklung aufgebracht ist, die entweder mit der Primär- oder Sekundärwicklung
in Reihe liegt, und daß durch Temperaturbeeinflussung des innenliegenden Teilschenkels
die Gegeninduktivität der Wicklungen und damit das Übersetzungsverhältnis geändert
wird.
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Es ist bekannt, daß bei Metallen und ihren Legierungen die Magnetisierung
abhängig ist von der Temperatur. Im allgemeinen läßt sich besonders bei den ferromagnetischen
und ihnen hinsichtlich der Magnetisierung
verwandten Stoffen folgende
Charakterisierung aufstellen: Bei kleinen magnetisierenden Kräften nimmt der Magnetismus
mit steigender Temperatur bis zu einem Höchstwert zu und fällt dann rasch bis Null
ab; bei großen magnetisierenden Kräften nimmt er von vornherein erst langsam und
dann rasch bis Null ab, welcher Wert bei der sogenannten Wandlungstemperatur erreicht
wird, die beispielsweise bei Eisen zwischen 7oo und 8oo° C, bei Nickel zwischen
300 und 4oo° C und bei den Heuslerschen und ihnen ähnlichen Legierungen (Monelmetall)
zwischen 5 und 350° C liegt.
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In Abb. i ist die Abhängigkeit der Magnetisierung von der Temperatur
bei einer Heuslerschen Legierung mit der Wandlungstemperatur von etwa 50° C dargestellt.
Der Kurvenzug der Charakteristik besteht, insbesondere bei den Temperaturen kurz
vor der Wandlungstemperatur, aus einem annähernd geradlinig fallenden Teilstück,_
in dessen Bereich mit jeder Temperaturänderung auch eine gleichsinnige Änderung
der Magnetisierungsstärke im Metall einhergeht, was bereits bei Drosselspulen zur
Änderung der Induktivität ausgenutzt worden ist. Gemäß der Erfindung,. wird nun
diese Eigenschaft der Metalle als Mittel zur Änderung der Gegeninduktivität von
Wicklungen bei Transformatoren verwendet.
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Abb. z zeigt einen Transformator mit der Primärwicklung P, der Sekundärwicklung
S und dem Induktionsfluß 0. Die Wicklungen sind in der bekannten Scheiben- oder
Lagenanordnung aufgebracht. Das Kernmaterial besteht aus Transformatorenblech in
üblicher Handelsqualität.
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Ändert sich bei diesem Transformator die Klemmenspannung der einen
Wicklung P, so ändert sich auch die Klemmenspannung der zweiten Wicklung S im gleichen
Sinne. Eine Regelung und damit eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators
ist jedoch nicht möglich, da nach der Änderung der Klemmenspannung der einen Wicklung
P die Gegeninduktivität der beiden Wicklungen die gleiche geblieben ist.
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Teilt man jedoch, wie Abb.3 zeigt, den von den Wicklungen P und S
umfaßten Schenkel 3 dieser Anordnung auf in einen Teilschenke13a aus handelsüblichem
Tränsformatorenblech und in einen von dem Teilschenkel 3a konzentrisch umfaßten
Teilschenkel 3b aus einer für die Regelung mittels thermomagnetischer Beeinflussung
besonders dienlichen Legierung, z. B. aus einer Legierung mit der Charakteristik
nach der Abb. i, ünd wickelt man auf den Teilschenkel 3b eine in Reihe zu der Wicklung
S liegende Wicklung Rb, so ist es nunmehr möglich, die Gegeninduktivität der Wicklungen
und das Übersetzungsverhältnis des Transformators zu ändern, vorausgesetzt, daß
der Teilschenkel 3b auf der jeweils zur Regelung erforderlichen Temperatur gehalten
wird. Wird der thermomagnetisch zu' beeinflussende Teilschenkel 3b, der beispielsweise
aus einer Legierung mit einer Charakteristik nach Abb. i besteht, auf 50° C gehalten,
so ist gemäß der Charakteristik bei dieser Temperatur keine Magnetisierung des Teilschenkels
3b im ferromagnetischen Sinne möglich. Der von der Primärwicklung P herrührende
Induktionsfluß 0 nimmt .seinen Weg also nur über den leilschenkel'34 und durchsetzt
die Sekundärwicklung S, wobei in dieser eine an der Primärwicklung P liegende Spannung
und dem Windungsverhältnis entsprechende EMK entsteht. Die nur um den Teilschenkel
3' liegende, in Reihe zu der Sekundärwicklung S geschaltete Wicklung Rb wird
also nicht vom Kraftfluß 0 durchsetzt. Somit wird in ihr auch keine Induktionsspannung
erzeugt. Während des Regelvorganges wird nun die Temperatur des thermomagnetisch
zu beeinflussenden Teilschenkels 3b nach und nach verringert. Dadurch steigt die
Mägnetisierbarkeit. des Teilschenkels 3b. Der Induktionsfluss 0 geht nunmehr auch
über den Teilschenkel 3b und durchsetzt die Wicklung Rb, in der er eine sich zu
der EMK der Sekundärwicklung S addierende EMK erzeugt. Der Höchstwert der in den
Wicklungen S und Rb im Leerlauf induzierten EMK ist erreicht, wenn die Induktion
im Teilschenkel 3b genau so groß geworden ist wie die Induktion im Teilschenkel
3a.
Der Mittelwert der in den Wicklungen S und Rb induzierten EMK ist
vorhanden, wenn die Induktion im Teilschenkel 3b nur die Hälfte des vorgenannten
Wertes aufweist.
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Es wurde im vorliegenden Falle angenommen, daß die Wicklung Rb gleichsinnig
zu der Sekundärwicklung S geschaltet ist. Dies ist jedoch keine Bedingung. Die Regelfähigkeit
des Transformators wird ebenso bei jeder anderen Schaltkombination zwischen der
Wicklung Rbund der Sekundärwicklung S oder der Primärwicklung P aufrechterhalten.
Der Regelvorgang ist dann analog wie bei der beschriebenen Schaltungsweise.
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Ist der Transformator belastet, so überlagert sich dem Kraftfluß 0
ein weiterer Fluß, der vom Strom in der Wicklung Rb herrührt. Dieser Fluß erzeugt
in der Wicklung eine EMK, die sich ja nach der Schaltungsweise entweder zu den vom
Induktionsfluß 0 herrührenden EMK der Wicklung Rb und der Sekundärwicklung S oder
zu den vom Induktionsfluß 0 herrührenden EMK der Wicklung Rb und der Primärwicklung
P vektoriell summiert. Soli beispielsweise die Wicklung Rb gleichsinnig in Reihe
zu der Primärwicklung P liegen und bei belastetem Transformator an den Klemmen der
Sekundärwicklung S auf konstante Spannung bei variabler an den Klemmen der hintereinandergeschalteten
Wicklungen P und Rb liegender Netzspannung * geregelt werden, so steht bei einer
Temperaturhaltung des Teilschenkels 3b auf 35° C, also der der normalen Netzspannung
entsprechenden Temperatur, die gesamte in den Wicklungen .P und Rb induzierten EMK
in einem ganz bestimmten Verhältnis zu der in der Sekundärwicklung S induzierten
EMK. Steigt nunmehr die an den Klemmen der in Reihe geschalteten Wicklungen .P und
Rb liegende Netzspannung z. B. um 25 l)/a ihres Normalwertes und soll trotzdem die
Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung S unverändert bleiben, so ist die Temperatur
des .Teilschenkels 3b auf 2o° C entsprechend der Charakteristik der Abb. i zu senken,
damit die magnetische Durchlässigkeit des Teilschenkels 3b erhöht wird. Die Folge
davon ist, daß der vergrößerte Fluß über
den Teilschenkel 3b eine
der Steigerung der Netzspannung zugehörige Änderung des Verhältnisses der induzierten
EMK der Wicklungen P und Rb und der induzierten EMK der Sekundärwicklung S im Sinne
der Regelung hervorruft. Fällt hingegen die Netzspannung um 25 °/o ihres Normalwertes,
so muß durch Temperaturerhöhung des Teilschenkels 31 bis zur Wandlungstemperatur
von 50° C dafür gesorgt werden, daß der Teilschenkel 3' unmagnetisch wird,
um die im Sinne der Regelung notwendige Änderung des Verhältnisses der EMK der Wicklungen
P und Rb und der EMK der Wicklung S zu erzielen.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen Drehstromtransformator zeigt Abb.
q.. Die Wicklungen und Teilschenkel haben hier dieselben Bezugszeichen wie bei der
einphasigen Ausführung nach Abb. 3.
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Aus Gründen des Kernaufbaues kann es zweckmäßig sein, den den Teilschenkel
3b umfassenden, aus handelsüblichem Transformatorenblech bestehenden Teilschenkel
3d nochmals aufzuteilen, so daß zwei oder mehrere Teilschenkel 3d um den Teilschenkel
3b konzentrisch angeordnet sind. Ferner kann es zweckmäßig sein, nicht den gesamten
Teilschenkel 3b, sondern nur so viel von ihm aus thermomagnetischem Material herzustellen,
als dies zur Erreichung der be absichtigten Regelwirkung erforderlich erscheint.
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Der Transformator gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß er stetig
und kontaktlos geregelt werden kann, ohne daß Wicklungen oder Kerne verschoben bzw.
gedreht werden müssen. Mit dem Hilfsmittel der thermomagnetischen Beeinflussung
des Kernmaterials wird die Gegeninduktivität der Wicklungen verändert und damit
das Übersetzungsverhältnis des Transformators einzig und allein von der Temperatur
abhängig gemacht. Der Blindstrombedarf spielt hier im wesentlichen die gleiche untergeordnete
Rolle wie bei den bekannten Transformatoren. Die Kurzschlußspannung läßt sich mit
den in der Technik bereits bekannten Mitteln, wie z. B. durch einen zur Wicklung
Rb parallel geschalteten Kondensator, den sonst üblichen Werten bei Regeltransformatoren
anpassen.
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Die Festlegung des Schenkelmaterials des thermomagnetisch zu beeinflussenden
Teilschenkels ist von Fall zu Fall zu treffen. Der zu beeinflussende Teilschenkel
kann mittels einer Temperaturanlage auf jeder Temperatur, die gemäß der Temperatur-Magnetisierungscharakteristik
des verwendeten Schenkelmaterials beim Regelvorgang nötig ist, gehalten werden.
Zweckmäßigerweise wird zur Beeinflussung des Teilschenkels jedoch das beim Transformator
zur Kühlung und Isolierung notwendige Flüssigkeitsmittel, z. B. das Öl, verwendet.
Die Temperatur des Öles bei im Betrieb stehenden Transformatoren liegt etwa bei
35° C. Es ist also bei Benutzung beispielsweise einer Legierung mit der Charakteristik
nach Abb. i als thermomagnetisch zu beeinflussendes Schenkelmaterial, also einer
Legierung mit der Wandlungstemperatur 'von etwa 50° C möglich, bei ständiger und
intensiver Umspülung bzw. Durchspülung des zu beeinflussenden Teilschenkels mit
dem Öl durch Erhöhen oder Senken der Temperatur dieses Öles innerhalb der Grenzen
von 2o und 5o° C den Transformator zu regeln.
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Das zur Temperaturbeeinflussung des Teilschenkels eingesetzte Öl geht,
wie Abb.5 zeigt, über Rohrleitungen an eine mit einer Olumlaufpumpe kombinierten
Temperaturanlage, deren Steuerung in Abhängigkeit von der zu regelnden Spannung
erfolgt.